Прозорецът може да произвежда енергия

Откакто хората имат изградени домове, прозорецът се възприема като енергийна пробойна. В последните години се създадоха множество подобрения, които да намалят загубите на топлина в зимния сезон и натрупването на жега през лятото – двойни и тройни стъклопакети, нискоемисионни стъкла и др. Развиха се и самите дограми. Сега те могат не само да издържат тежестта и натоварванията на тези двойни и тройни стъклопакети, но и да понасят значително по-големите размери на стъклената част от прозореца. В резултат на този напредък станаха популярни стъклените фасади. 

Текст: списание Строители

Блестящи отгоре до долу в стъклени обвивки, модерните сгради позволяват на своите обитатели да се радват на широки панорамни гледки към външния свят, без това удоволствие да коства „цяло състояние“ за охлаждане или отопление на интериора. Стъклото позволява и доста красиви и дръзки дизайнерски решения. Те бяха немислими по-рано, в ерата на сградите с плътни стени.  Но на кого не се случвало да погледне красивата стъклена фасада на нова бизнес-сграда и да забележи в долния край на всяко стъклено пано да се изтягат ребрените снаги на радиаторите, с които се топлят помещенията? А на кого не се е случвало да влезе в уж луксозна стъклена бизнес-сграда и да установи, че посред бял ден хората вътре работят на изкуствена светлина? Всичко това са компромиси, разбира се. Днес обаче компромисите стават ненужни. Прозорците са на път да се превърнат в активен производител на енергия. Скоро и радиаторът ще стане спомен от миналото, и силно затъмнените прозорци – заради които хората посред бял ден са на изкуствена светлина. 

Как се стигна до фотоволтаични прозорци 

Фотоволтаиката е първото нещо, за което хората се сещат, когато става дума за възновяема енергия – онези тъмносини панели с квадрати, които правят електричество от слънцето. Малцина знаят, че едни от първите фотоволтаични панели в света са произведени у нас – в БАН (по това време ги наричат фотоелектрични). Но не това е важно сега. Технологията стана популярна в последните години благодарение на драстичния спад на цените. А бързо спадащите цени са дело предимно на инвазията на Китай – държава, която мощно субсидира своите производители на фотоволтаични системи и по този начин постепенно „превзе“ света.  Нарояването на множество фотоволтаични паркове постави на дневен ред въпроса редно ли е наистина да покриваме с фотоволтаици плодородните полета, при положение, че на тази земя може да се отлгеждат царевица, жито и други хранителни култури. Все по-често специалистите признават, че мястото на PV парковете не е на полето. То е горе, върху сградите, върху покривите, където – така или иначе – има огромна „безполезна“ площ. И не само покривите „бездействат“, не правят нищо полезно и самите стени около прозорците. 

Това на свой ред провокира множество проектанти, дизайнери и производители да се замислят за „сградно-интегрирани“ фотоволтаици. Най-честата форма са покривните PV системи. Има и такива панели, които се вграждат в „лицето“ на сградата, в нейната фасада. Първите опити изглеждаха нескопосано, но посе се видя, че ако монтажът се замисля още при проектирането, сградите могат да изглеждат приятно за окото. Видяха се различни проекти, при които плътната част на сградата вместо с мазилка е покрита със специално оразмерени соларни панели.  И точно когато сградно-интегрираните фортоволтаици започнаха да изглеждат даже приятно за окото, назря и идеята самите прозорци да станат също фотоволтаични. 

Серия иновации 

Самозатъмняващите се прозорци не са новост, но когато те могат едновременно и да произвеждат ток, това вече е друго нещо.  Разработката се базира на високотехнологични материали като перовскити и едностенни въглеродни нанотръби. Новата технология реагира на топлината, като се трансформира от прозрачна в оцветена. Когато прозорецът потъмнее, той генерира електричество. Така хем засенчва интериора, хем прави ток. Когато слънцето не свети, прозорецът се охлажда, което задейства химична реакция, заради която прозорецът става отново прозрачен и спира производството на електроенергия.  Разработеното демонстрационно устройство позволява 68% от светлината от видимата част на слънчевия спектър да преминава, когато прозорецът е в прозрачно състояние. Когато прозорецът променя цвета си – процес, който отнема около 3 минути при осветяване от слънцето – само 3% от светлината преминава през прозореца. В началото на 2018 г. учени от известната лаборатория в САЩ „Бъркли“ обявиха, че са открили перовскитен материал, който може да се използва за направата на фотоволтаични стъкла. Той може да превключва между състояние на прозрачност и непрозрачност, без това да нарушава ни най-малко фотоелектричните му свойства.  Перовскитният материал бе описан в доклада „Термохроматични халидни перовскитни слънчеви клетки“, публикуван в списание „Nature Materials“. За него учените споделиха, че има две състояния на материала, които формират различни кристални структури. Промяната на фазата, открита от учените, първоначално се разглеждала като недостатък, но изследователите успели да я превърнат в нещо потенциално полезно.

Промяната на материала от прозрачно към непрозрачно състояние се задейства от топлина. При лабораторните експерименти изискваната температура била около 100°С. Учените казват, че работят, за да намалят температурата до 60°C. Обратният преход се постига чрез добавяне на влажност към материала. Изследователите казват, че ще работят и върху алтернативи на тези методи. Доста по-дръзка, но все още несбъдната остана разработката на норвежката компания EnSol, която патентова прототип на тънкослойна слънчева клетка, предназначена за напръскване върху каквато и да е стъклена повърхност. Идеята бе рекламирана още през 2010г., но като цяло концепцията за тънкослойни соларни клетки под формата на спрей засега остава по-скоро пожелание.  Пак през 2018г. се разбра, че нов вид двоен стъклопакет, който произвежда електричество, е разработен от изследователите на Университета в Уоруик. Новият подход използва газ, вместо вакуум, за преносна среда за електрическата енергия.  Устройството представлява по същество тънък прозорец с двоен стъклопакет. Външното стъкло е прозрачно и произвежда електричество. Вътрешният прозорец е покрит със специален материал, който действа като източник на електрони под въздействието на осветяването със слънчевата светлина – това се нарича „фотокатод“. Двете стъкла са разделени от безопасен инертен газ – аргон, точно както е при висококачествените прозорци с двоен стъклопакет. Когато слънчевата светлина огрее устройството, електроните се изхвърлят от фотокатода и преминават през газа към външното стъкло, без да се изгубват.

Море от неизползван потенциал 

През есента на 2017 година обаче една снимка на парче прозрачно стъкло обиколи интернет, след като от лабораторията на Държавния университет в Мичиган се похвалиха, че са създали напълно прозрачно фотоволтаично фолио. Това накара ВЕИ ентусиасти от цял свят да си представят как хилядите стъклени сградни по света започват да бълват ток като електроцентрали. Лъскавите фасади на всички „сити“-та по света са море от неизползван фотоволтаичен потенциал и според учените от Мичиган.  Интересното е, че тяхната технология за слънчеви прозорци абсорбира почти изключително невидимата ултравиолетова (UV) или инфрачервена светлина. Това оставя стъклото абсолютно прозрачно. Блокирането на UV и инфрачервеното лъчение има и други два желани ефекта – намалява се натрупването на нежелана топлина (което се дължи на инфрачервните лъчи) и изгарянето (УВ). 

Първоначално ефективността на прозрачния фотоволтаичен прозорец бе 0,5%. Въпреки че това е по-слабо от ефективността на най-добрите перовскитни клетки, учените казаха, че е значимо постижение. От една страна, ако дадена огромна стъклена фасада бъде покрита с подобно фолио, колкото и малка да е ефективността, нетното производство ще е достатъчно за няколко електроуреда. От друга, дори със скромна ефективност от 0,5% един соларен прозорец може да захранва малки консуматори като например диоди или сензори в интериора.  Според последни данни обаче технологията вече е готова да достигне ефективност от 5%. Тогава соларните прозорци ще могат да захранват част от осветлението и климатизацията на сградата.

Цветни фотоволтаични стъкла

 В духа на всички усилия за фотоволтаични прозорци на последното изложение за усъвършенствани фасадни технологии в Берн (28-29 октомври т.г.) в Германия бяха изложени и доста предложения за цветни фотоволтаични прозорци, споделя Венета Новакова, председател на Българската асоциация за фасаден инженеринг. Идеята при повечето от тези прозорци е върху стъклото да има тънък цветен филм за генериране на PV електричество. За разлика от прозрачните фолиа, цветните тънкослойни фотоелектрични клетки отдавна са в производство.  От друга страна фолиото за подобен цветен прозорец може да се произведе в предварително определен цвят, така че нюансът му да пасне на дизайна на сградата според както я е замислил архитектът. 

PV щампи, козирки и щори 

Дори и без фолиа и специални материали прозорците могат да произвеждат електричество от слънцето и сега. Някои производители нямат търпение да чакат и вече предлагат вграждане на стандартни силициеви фотоволтаични клетки в прозорците.  Така например един немски производител вгражда фотоволтаични клетки в стъклопакетите, които се използват за монтаж на остъклени фасади, по предварителен дизайн. Боравейки консервативно с цветовете, фасадите добиват екзотичен вид, когато някои от всичките им стъкла са „нашарени“ с тъмните геометрични фигури на фотоволтаичните клетки, служейки като ацент в дизайна и като форма на засенчване.  Устремени в търсене на „вярната“ формула“, доста фирми решиха да вградят фотоволтаичните системи в онези прозоречни компоненти, които така или иначе ще засенчват. Появиха се фотоволтаични навеси, козирки и сенници, които хем засенчват преките слънчеви лъчи, хем произвеждат електричество - хем прозорците остават напълно прозрачни, за да позволяват на разсеяната светлина да навлиза в интериора и обитателите да се любуват на гледките навън. 

Фотоволтаични щори 

Идеята за фотоволтаичните щори събра много овации преди година, когато в Kickstarter започна кампания за доброволческо финансиране за производството им. Идеята е прозорците да произвеждат електричество, докато едновременно с това ни засенчват– а щорите и без друго са налични в много домове и офиси. Създателите на прототипния модел се нарекоха SolarGaps и заявиха, че соларните щори биха могли да намалят сметките за ток с до 70%. С други цифри казано - могат да генерират 100 вата от всеки квадратен метър прозорец – достатъчно енергия за един лаптоп или пък за 30 LED крушки. Инсталационният процес, според фирмата, е достатъчно прост, за да могат собствениците на жилища да монтират сами щорите, следвайки инструкциите. Има и смартфон-приложение за управление, което позволява на потребителите да променят ъгъла на щорите, да ги спускат или вдигат и да проверяват колко енергия генерират.

Предизвикател­ства за фотовол­таиката

Фотоволтаичните прозорци са все още в зората си и тяхното навлизане е свързано с изграждането на три опорни стълба, смята Венета Новакова, специалист фасаден инженеринг и председател на бг асоация по фасаден инженеринг. Естетиката е първото предизвикателство. Съвсем прозрачни фотоволтаици все още няма, повечето работещи решения са или тъмни, или в най-добрия случай цветни. Това означава, че прозорците с такова покритие са мислими, ако се възприемат като част от визията, от дизайна на сградата.  Съхранението на енергията е второто предизвикателство. Обичайно генерирането на електричество от слънцето се случва в светлата част от денонощието, с пик около обяд. Това приблизително съвпада с периода на активно потребление в повечето офис- и индустриални сгради. Въпреки това не всичката произведена енергия може да бъде консумирана веднага, дори в една бизнес-сграда – например в почивните дни там няма активно потребление. Това означава, че енергията трябва да се съхранява за използване в по-късен момент. Засега това е възможно предимно чрез акумулатори, но те са скъпи и ще останат скъпи още доста години. Това се оказва „тясно“ място в внедряването на фотоволтаични прозорци. 

Проектирането на фотоволтаичните прозорци е третото предизвикателство. За да бъдат производител на енергията, прозорците трябва да бъдат замислени като такива още от самото начало – от зараждането на сградата. Това предполага архитектите и техните екипи да са наясно със съществуващите технологии за соларни прозорци и да могат да предвидят съответните инсталации за тях. „Знаенето“ по темата е също толкова важно за архитектите, колкото и познаването на различните видове външни облицовки, изолационни материали и др. 

Щори събират слънчевата топлина

Идеята щорите да добиват енергия звучи твърде добре и не след дълго бе доразвита в проект за индустриални щори, които имат както фотоволтаичен компонент, така и модул за генериране на топлинна енергия. В случая ламелите на щората са силно извити и служат като концентратори. Работят на принципа на големите соларни топлоцентрали, които чрез отразяване на слънчевата светлина към една точка постигат висока температура. В случая обаче щорите концентрират топлината върху тънка тръбичка с флуид, който служи за пренос на топлината. Щорите следва да изменят своя ъгъл съобразно посоката на слънчевите лъчи. Правилната ориентация може да се контролира чрез сензор, но също така може да се управлява и съобразно времето от денонощието и данните, подавани от локална метео-станция (каквато се предполага да имат повечето съвременни бизнес-сгради). Разсеяната светлина, която пък преминава през ламелите на подобна щора, ще е приятна за осветяване на големи индустриални пространства като например складове, летища, производствени цехове. Любопитно е, че проект за подобна щора бе разработен от стартъп с участието на специалисти от България, Германия и Катар. 

Прозорци за отопление

Слънчевата енергия може да се събира и под формата на топлина, но тази насока трудно се свързва точно с прозоречните системи заради нуждата от енергиен носител. Въпрки това има някои доста интересни опити за превръщане на стъклата в генератори на топлоенергия.  През 2017г. учени разработиха начин за преобразуване на обикновените прозорци в „нагреватели“, захранвани със слънчева енергия. Те използват лъчите на слънцето, за да увеличат температурата на прозореца с до 8 градуса при студено време. Това би трябвало да доведе до значително енергоспестяване и намаляване на разходите за отопление. Новите повърхности представляват още едно приложение на нанотехнологиите, тъй като основните функционални компоненти са т. нар. „плазмонични наноантени“, обясниха изследователите от Университета в Гьотеборг, създали специалното покритие заедно с колеги от университети в Швеция, Китай, Иран и САЩ. Малките антени са направени от „сандвичи“ от никел-алуминиев оксид, оформени като наноелипси и подредени като масив върху стъклото. Когато слънцето огрява повърхността на прозореца, светлината се абсорбира по-ефективно от предната страна (чрез антените), отколкото от задната страна. Тази насоченост при абсорбиране на светлината прави термосоларните повърхности привлекателни за използване за прозорци, тъй като слънчевата светлина може да бъде абсорбирана най-ефективно от външната страна.

В допълнение, повърхностите са прозрачни, изглеждат напълно безцветни (без нюанси) и почти напълно запазват цветовия спектър на слънчевата светлина, която преминава. Най-новото изобретение в посока събиране на енергия чрез прозорците е стъклопакет, в който има работна течност, предназначена за събиране на топлина от слънцето. Тази най-нова разработка не е само теория – тя е вече изпробвана в Университета на Мадрид, а наскоро в София бе изградена втората в света фасада от този вид – тя е чисто демонстрационна.  Всеки стъклопакет е троен, от заякчено стъкло, с алуминиева рамка, обхващаща две камери – вътрешна камера с вода и външна камера с газ. Водата в камерата натрупва слънчева топлина благодарение на огряването на сградата. Водата се движи във „воден кръг“ между панелите благодарение на цикрулационна помпа. Поемайки топлина от слънцето, фасадата от този вид стъклопакет може да натрупва толкова много топлина, че да осигури до 100% от отоплителните нужди на една бизнес-сграда, при това без никакъв коммпромис с прозрачността. Стъклото остава 100% транспаратнтно.

Отговаряйки на новите европейски регулации за все по-високо ниво на потребление на възобновяема енергия, това отопление се базира изцяло на слънчевото греене.  Фактът, че втората в света фасада от този вид е в София (на територията на кампуса на БАН на 4-ти километър в София) подсказва, че в иновативната разработка има силно българско участие. Проектът, известен като InDeWaG, включва Централната лаборатория по слънчева енергия и нови енергийни източници при БАН, българската архитектурна компания Architectonika, както и и ЕТЕМ България АД (заедно с тях по течните стъклопакети са работили експерти от Universität Bayreuth, Bollinger & Grohmann Consulting GmbH, HTCO GmbH, Savior Venture Capital, Институт за соларни технологии Фраунхофер, Политехнически университет – Мадрид, Cerviglas S.L).  Тъй като идеята за използването на водата като топлопреносна медия не е нова, не е изненадващо, че в Китай също е правена разработка за прозорци с водно съдържание, които да осигуряват отопление. Случаят, напомнящ историята за Маркони и Попов в края на 1890-те, предизвика вълнението на иноваторите от двата континента, които се срещнаха тази година на изложението за прозоречни системи в Берн.